CN102901717A - 基于激光诱导击穿光谱的便携手持式土壤重金属探测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于激光诱导击穿光谱的便携手持式土壤重金属探测装置，包括有光学探头部分和信号采集与控制部分，所述的光学探头部分为壳体内的激光器发射头发射激光经过一系列透镜后耦合到光纤中，并输入到信号采集与控制部分的光谱仪中，将光信号转化为电信号，输入进电脑中，电脑对输入的信号进行存储与处理。本发明采用离轴非球面镜，能将等离子发出的光束转折的同时进行高度准直，且不产生色差，为后继光束耦合进光纤提供保障；还采用透镜对激光光束变换，激光器发射头的输出能量可以降低，从而减少了检测过程中对样品的损坏，有系统集成度高、体积小、重量轻，方便携带和操作，成本低，且易于实现等优点。
Description
技术领域
本发明涉及环境光学检测领域，尤其涉及一种基于激光诱导击穿光谱的便携手持式土壤重金属探测装置。
背景技术
现有的基于激光诱导击穿光谱的土壤重金属检测仍以现场采样、实验室分析方法为主，无论其光学系统、所采用光谱仪还是计算机控制系统，体积都较大且笨重，只能从现场取回土壤样品并加工后才能用于检测。目前能够进行现场原位检测的小巧、轻便的土壤重金属探测系统还很少。而且土壤重金属等离子体的范围一般在300nm~500nm之间，即使已经出现了用于激光诱导击穿光谱的光学探头，但这些探头的设计并没有针对土壤重金属的特征光谱波段来提高等离子体信号的接受效率，因此这些探头也不适用于现场土壤重金属探测。
发明内容
本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种小型化、质量轻、便于携带和操作的基于激光诱导击穿光谱的便携手持式土壤重金属探测装置。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种基于激光诱导击穿光谱的便携手持式土壤重金属探测装置，包括有光学探头部分和信号采集与控制部分；
所述的光学探头部分包括一个壳体，在壳体内部一端放置一个激光器发射头，有一控制激光器发射头调Q输出的开关电路设置在壳体内部边缘处，所述的开关电路上有手动开关按钮，所述的手动开关按钮凸出在壳体外侧，在所述激光器发射头发射激光的前方光路上依次设置有凸透镜一和离轴非球面镜，壳体的另一端开有小孔，所述的激光器发射头发出的激光经过凸透镜一汇聚并透过离轴非球面镜后通过所述的小孔照到待测样品的表面，将待测样品击穿并发射等离子体光谱，等离子体光谱经过所述的离轴非球面镜的反射折转90度，同时被高度准直，入射到位于离轴非球面镜下方的透镜组，所述的透镜组由凹透镜一、凸透镜二和凹透镜二依次排列组成，等离子体光谱经过透镜组后汇聚成极小的光斑，在光斑半径达到极小值的位置放置一光纤一端的光纤头，等离子体光谱的光谱信号通过光纤头耦合进光纤；另外在壳体的一侧固定有一光电探测器且位于所述的离轴非球面镜的上方；
所述的信号采集与控制部分由光谱仪、触发电路、电源模块和电脑组成，所述的电源模块的输入端连接所述的开关电路，输出端连接所述的激光器发射头，所述的光电探测器探测的信号输入进所述的触发电路，触发电路的输出端与所述的的光谱仪相连，光谱仪还与所述的电脑相连，所述的光纤的另一端的光纤头连接在光谱仪上。
所述的离轴非球面镜上镀有宽带介质膜；所述的凸透镜一的材料为BK7；所述的凸透镜二的材料为FK51；所述的凹透镜一和二的材料为BaK1；所述的激光器发射头长度小于11cm，宽度小于3cm，高度小于4cm，重量小于100克。
本发明的工作原理是：按下手动开关按钮，接通开关电路，开关电路将调Q电信号输入进电源模块，电源模块再将调Q电信号输入进激光器发射头中，来调节激光器发射头发出的激光，激光通过凸透镜一进行变换，大于90%的能量透过镀有宽带介质膜的离轴非球面镜后汇聚到待测样品表面将待测样品击穿并发射等离子体光谱，经过离轴非球面镜的反射折转90度，并高度准直，进入透镜组，透镜组可以将波长范围在300纳米到500纳米范围内的光汇聚成极小的光斑，此光斑半径小于5μm，如图2所示，光斑耦合进光纤；另外，离轴非球面镜反射的微弱的激光杂散光信号被光电探测器采集到，并转化成电信号输入进触发电路，经过触发电路转化为TTL高电平信号并输入进光谱仪触发其工作，触发电路输出信号与光谱仪门控信号之间的时序如图4所示，光谱仪按照预先设定好的门开延时和门宽时间来进行工作，另外，光纤将收集到的等离子体光信号输入到光谱仪，光谱仪将光信号转化为电信号并输入到电脑中，通过电脑的处理最终实现将等离子体信号的存储和显示。
土壤重金属探测对光谱仪分辨率只要求达到0.1nm即可，波长范围在300~500nm。而达到此分辨率、在此波段范围内、体积小、质量轻的光谱仪已经商业化，且价格便宜，容易购买。随着平板电脑和掌上电脑的普及，计算机的体积和质量越来越小，而性能越来越高，且价格越来越便宜，根据平板电脑或掌上电脑的操作系统开发相应的光谱仪软件，可以实现对光谱仪数据的读取、存储和处理。
本发明的优点是：
1、整个系统集成度高、体积小、重量轻，方便携带和操作，成本低，且易
于实现。
2、系统的光学探头中采用离轴非球面镜，能将等离子发出的光束转折的同
时进行高度准直，且不产生色差，为后继光束耦合进光纤提供保障。
3、系统的光学探头中采用材料不同的透镜组对300~500nm的高度准直光束
进行汇聚，使得光斑半径的最小值小于5μm，如图2所示。由于一般的单模光纤的内芯芯径在8~10μm之间，因此该透镜组可以使得几乎所有光束耦合进光纤，大大提高了信号收集的效率。
4、系统的光学探头中由于提高了等离子体信号的接受效率，并且采用透镜
对激光光束变换，激光器发射头的输出能量可以降低，从而减少了检测过程中对样品的损坏。
5、系统的光学探头中由于提高了等离子体信号的接收效率，可以减小光学
系统的相对孔径，减少透镜孔径缩小系统体积的同时也使得工作距离较大，从而减少了样品被激光作用时的溅射对光学探头的污染。
附图说明
图1为本发明中光学探头部分示意图。
图2为等离子体光谱经过透镜组汇聚后在光纤头入口处的点列图。
图3为信号采集与控制部分示意图。
图4为触发电路输出信号和门控电路信号时序图。图中，光谱仪门开延时为T1，门宽为T2。
图5为本发明整体的示意图。
具体实施方式
如图5所示，一种基于激光诱导击穿光谱的便携手持式土壤重金属探测装置，包括有光学探头部分和信号采集与控制部分；
如图1所示，所述的光学探头部分包括一个壳体11，在壳体11内部一端放置一个激光器发射头1，有一控制激光器发射头1调Q输出的开关电路9设置在壳体11内部边缘处，所述的开关电路9上有手动开关按钮10，所述的手动开关按钮10凸出在壳体11外侧，在所述激光器发射头1发射激光的前方光路上依次设置有凸透镜一2和离轴非球面镜3，壳体11的另一端开有小孔，所述的激光器发射头1发出的激光经过凸透镜一2汇聚并透过离轴非球面镜3后通过所述的小孔照到待测样品12的表面，将待测样品12击穿并发射等离子体光谱，等离子体光谱经过所述的离轴非球面镜3的反射折转90度，同时被高度准直，入射到位于离轴非球面镜3下方的透镜组，所述的透镜组由凹透镜一4、凸透镜二5和凹透镜二6依次排列组成，等离子体光谱经过透镜组后汇聚成极小的光斑，在光斑半径达到极小值的位置放置一光纤一端的光纤头7，等离子体光谱的光谱信号通过光纤头7耦合进光纤；另外在壳体11的一侧固定有一光电探测器8且位于所述的离轴非球面镜3的上方；
如图2所示，所述的信号采集与控制部分由光谱仪17、触发电路14、电源模块15和电脑16组成，所述的电源模块15的输入端连接所述的开关电路9，输出端连接所述的激光器发射头1，所述的光电探测器8探测的信号输入进所述的触发电路14，触发电路14的输出端与所述的的光谱仪17相连，光谱仪17还与所述的电脑16相连，所述的光纤的另一端的光纤头18连接在光谱仪17上。
所述的离轴非球面镜3上镀有宽带介质膜；所述的凸透镜一2的材料为BK7；所述的凸透镜二5的材料为FK51；所述的凹透镜一4和二6的材料为BaK1；所述的激光器发射头1长度小于11cm，宽度小于3cm，高度小于4cm，重量小于100克； 所述的开关电路9上有手动开关按钮10。
Claims (4)
1.一种基于激光诱导击穿光谱的便携手持式土壤重金属探测装置，其特征在于：包括有光学探头部分和信号采集与控制部分；
所述的光学探头部分包括一个壳体，在壳体内部一端放置一个激光器发射头，有一控制激光器发射头调Q输出的开关电路设置在壳体内部边缘处，所述的开关电路上有手动开关按钮，所述的手动开关按钮凸出在壳体外侧，在所述激光器发射头发射激光的前方光路上依次设置有凸透镜一和离轴非球面镜，壳体的另一端开有小孔，所述的激光器发射头发出的激光经过凸透镜一汇聚并透过离轴非球面镜后通过所述的小孔照到待测样品的表面，将待测样品击穿并发射等离子体光谱，等离子体光谱经过所述的离轴非球面镜的反射折转90度，同时被高度准直，入射到位于离轴非球面镜下方的透镜组，所述的透镜组由凹透镜一、凸透镜二和凹透镜二依次排列组成，等离子体光谱经过透镜组后汇聚成极小的光斑，在光斑半径达到极小值的位置放置一光纤一端的光纤头，等离子体光谱的光谱信号通过光纤头耦合进光纤；另外在壳体的一侧固定有一光电探测器且位于所述的离轴非球面镜的上方；
所述的信号采集与控制部分由光谱仪、触发电路、电源模块和电脑组成，所述的电源模块的输入端连接所述的开关电路，输出端连接所述的激光器发射头，所述的光电探测器探测的信号输入进所述的触发电路，触发电路的输出端与所述的的光谱仪相连，光谱仪还与所述的电脑相连，所述的光纤的另一端的光纤头连接在光谱仪上。
2.根据权利要求1所述的基于激光诱导击穿光谱的便携手持式土壤重金属探测装置，其特征在于：所述的离轴非球面镜上镀有宽带介质膜。
3.根据权利要求1所述的基于激光诱导击穿光谱的便携手持式土壤重金属探测装置，其特征在于：所述的凸透镜一的材料为BK7；所述的凸透镜二的材料为FK51；所述的凹透镜一和二的材料为BaK1。
4.根据权利要求1所述的基于激光诱导击穿光谱的便携手持式土壤重金属探测装置，其特征在于：所述的激光器发射头长度小于11cm，宽度小于3cm，高度小于4cm，重量小于100克。
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Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103278480A (zh) * | 2013-04-26 | 2013-09-04 | 中国科学院安徽光学精密机械研究所 | 基于激光诱导击穿光谱手持式固体废弃物重金属探测探头 |
| CN103411930A (zh) * | 2013-07-26 | 2013-11-27 | 中国科学院安徽光学精密机械研究所 | 水体重金属激光诱导击穿光谱连续检测装置及方法 |
| CN104007090A (zh) * | 2014-05-27 | 2014-08-27 | 四川大学 | 基于激光诱导击穿光谱技术的便携式元素成分分析装置 |
| CN108303380A (zh) * | 2018-01-26 | 2018-07-20 | 信阳农林学院 | 一种用于分析不同类型的样品的光谱分析器 |
| CN108459012A (zh) * | 2017-12-28 | 2018-08-28 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 便携式激光等离子体火花放电元素光谱检测系统 |
| CN109580556A (zh) * | 2019-01-08 | 2019-04-05 | 宁波谱泰克科学仪器有限公司 | 手持式激光诱导击穿光谱仪的检测环境气压控制结构 |
| CN112748232A (zh) * | 2020-12-22 | 2021-05-04 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 一种土壤剖面原位重金属分布的实时检测系统 |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN2874476Y (zh) * | 2006-02-10 | 2007-02-28 | 天津大学 | 基于光学整流的太赫兹时域光谱仪 |
| CN1995979A (zh) * | 2006-12-05 | 2007-07-11 | 中国科学院安徽光学精密机械研究所 | 水体金属污染物激光击穿光谱探测方法与系统 |
| CN101021474A (zh) * | 2006-12-05 | 2007-08-22 | 中国科学院安徽光学精密机械研究所 | 开放式气体多组分监测仪及监测方法 |
| US20070296966A1 (en) * | 2006-06-27 | 2007-12-27 | General Electric Company | Laser plasma spectroscopy apparatus and method for in situ depth profiling |
| CN101196471A (zh) * | 2007-12-21 | 2008-06-11 | 中国科学院上海技术物理研究所 | 土壤重金属污染定量化检测系统及检测方法 |
| CN201429568Y (zh) * | 2009-07-03 | 2010-03-24 | 广州市计量检测技术研究院 | 多通道的激光诱导击穿光谱的快速检测装置 |
| CN102109465A (zh) * | 2009-12-23 | 2011-06-29 | 中国科学院沈阳自动化研究所 | 用于熔融金属的激光诱导击穿光谱装置 |
| CN102128815A (zh) * | 2010-11-26 | 2011-07-20 | 清华大学 | 检测时间及位置可控的激光诱导击穿光谱检测装置 |
-
2012
- 2012-06-12 CN CN201210191220.8A patent/CN102901717B/zh active Active
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN2874476Y (zh) * | 2006-02-10 | 2007-02-28 | 天津大学 | 基于光学整流的太赫兹时域光谱仪 |
| US20070296966A1 (en) * | 2006-06-27 | 2007-12-27 | General Electric Company | Laser plasma spectroscopy apparatus and method for in situ depth profiling |
| CN1995979A (zh) * | 2006-12-05 | 2007-07-11 | 中国科学院安徽光学精密机械研究所 | 水体金属污染物激光击穿光谱探测方法与系统 |
| CN101021474A (zh) * | 2006-12-05 | 2007-08-22 | 中国科学院安徽光学精密机械研究所 | 开放式气体多组分监测仪及监测方法 |
| CN101196471A (zh) * | 2007-12-21 | 2008-06-11 | 中国科学院上海技术物理研究所 | 土壤重金属污染定量化检测系统及检测方法 |
| CN201429568Y (zh) * | 2009-07-03 | 2010-03-24 | 广州市计量检测技术研究院 | 多通道的激光诱导击穿光谱的快速检测装置 |
| CN102109465A (zh) * | 2009-12-23 | 2011-06-29 | 中国科学院沈阳自动化研究所 | 用于熔融金属的激光诱导击穿光谱装置 |
| CN102128815A (zh) * | 2010-11-26 | 2011-07-20 | 清华大学 | 检测时间及位置可控的激光诱导击穿光谱检测装置 |
Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
| 冯晓霞等: "激光诱导击穿光谱测量土壤重金属污染研究", 《测试技术学报》, vol. 23, no. 03, 30 June 2009 (2009-06-30), pages 275 - 278 * |
| 宋冬婷等: "基于激光诱导离解光谱的土壤重金属监测定量化方法研究", 《科学技术与工程》, vol. 8, no. 15, 31 August 2008 (2008-08-31), pages 4070 - 4077 * |
| 沈沁梅等: "激光诱导击穿光谱结合神经网络测定土壤中的Cr和Ba", 《光子学报》, vol. 39, no. 12, 31 December 2010 (2010-12-31), pages 2134 - 2138 * |
| 陈巧玲等: "土壤中Ba和Mn的激光诱导击穿光谱定量检测", 《光电工程》, vol. 36, no. 12, 31 December 2009 (2009-12-31), pages 33 - 36 * |
Cited By (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103278480A (zh) * | 2013-04-26 | 2013-09-04 | 中国科学院安徽光学精密机械研究所 | 基于激光诱导击穿光谱手持式固体废弃物重金属探测探头 |
| CN103411930A (zh) * | 2013-07-26 | 2013-11-27 | 中国科学院安徽光学精密机械研究所 | 水体重金属激光诱导击穿光谱连续检测装置及方法 |
| CN103411930B (zh) * | 2013-07-26 | 2015-06-03 | 中国科学院安徽光学精密机械研究所 | 水体重金属激光诱导击穿光谱连续检测装置及方法 |
| CN104007090A (zh) * | 2014-05-27 | 2014-08-27 | 四川大学 | 基于激光诱导击穿光谱技术的便携式元素成分分析装置 |
| CN104007090B (zh) * | 2014-05-27 | 2016-06-08 | 四川大学 | 基于激光诱导击穿光谱技术的便携式元素成分分析装置 |
| CN108459012A (zh) * | 2017-12-28 | 2018-08-28 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 便携式激光等离子体火花放电元素光谱检测系统 |
| CN108303380A (zh) * | 2018-01-26 | 2018-07-20 | 信阳农林学院 | 一种用于分析不同类型的样品的光谱分析器 |
| CN109580556A (zh) * | 2019-01-08 | 2019-04-05 | 宁波谱泰克科学仪器有限公司 | 手持式激光诱导击穿光谱仪的检测环境气压控制结构 |
| CN109580556B (zh) * | 2019-01-08 | 2023-07-04 | 宁波谱泰克科学仪器有限公司 | 手持式激光诱导击穿光谱仪的检测环境气压控制结构 |
| CN112748232A (zh) * | 2020-12-22 | 2021-05-04 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 一种土壤剖面原位重金属分布的实时检测系统 |
| CN112748232B (zh) * | 2020-12-22 | 2023-03-10 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 一种土壤剖面原位重金属分布的实时检测系统 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN102901717B (zh) | 2014-10-29 |
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